赤泥输送埋地管道应力分析及选材优化.pdf

第 51 卷 第 1 期有色金属设计Vol.51 No.12024 年 3 月Nonferrous Metals DesignMar.2024收稿日期:2023-06-12作者简介:杨辉(1984),男,贵州铜仁人,工程师。主要研究方向:氧化铝生产工艺设计及研究。赤泥输送埋地管道应力分析及选材优化杨辉(贵阳铝镁设计研究院有限公司,贵州,贵阳 550081)摘要:为确保氧化铝生产中的赤泥输送管道安全、可靠和经济,本文基于 AutoPIPE 管道应力计算软件,对赤泥输送埋地管道建立模型并计算,对比和分析了多组管道应力计算数据和结果,优化了管道选材和管道布置,管道造价降低约 7.5%。关键词:赤泥输送管道;埋地管道;AutoPIPE;管道应力分析中图分类号:TF801文献标识码:A文章编号:1004-2660(2024)01-0047-06Stress Analysis and Material Selection Optimization of Buried Pipelines for Red Mud TransportationYANG Hui(Guiyang Aluminum Magnesium Design&Research Institute Co.,Ltd.,Guiyang,Guizhou,550081,China)Abstract:In order to ensure the safety,reliability and economy of red mud transportation pipelines in alumina production,based on pipeline stress calculation software AutoPIPE,a model of buried pipelines for red mud transportation was established in this paper,relevant calculations were made,multiple data and results of pipe-line stress calculations were compared and analyzed,pipeline material selection and layout were optimized,re-sulting in about 7.5%of pipeline cost reduction.Keywords:Red mud transportation pipeline;Buried pipeline;AutoPIPE;Pipeline stress analysis0 引 言赤泥是氧化铝生产的尾矿,作为固体废弃物进行堆存。大多数氧化铝厂区与赤泥堆场之间的距离较远,从几公里到几十公里不等。为便于输送,赤泥以固液混合的浆液状态经由管道从氧化铝厂区输送到赤泥堆场。赤泥浆液中含有少量的苛性碱,当输送管道采用埋地敷设时,管道的安全性和可靠性尤为重要;输送管道的长度较长,也决定整个管线的投资。因此,必须从技术和经济2 个方面对管线进行分析得到最优的设计方案。通过应用 AutoPIPE 管道应力分析软件针对某项目的赤泥输送埋地管道进行建模计算,通过计算、对比、分析,得到合适的管道材质和合理的管道布置。1 计算方法和应力校核准则目前国际通用的管道应力分析软件有 CAE-SAR 和 AutoPIPE。对于埋地管道,CAESAR 可应用基于 L.C.Peng 理论或基于 ALA 理论的土壤模型进行计算1。AutoPIPE 中可应用 2 种理论来计算土壤的约束特性,分别为 PRCI 计算方法(Pipeline Research Council International)和 ALA计算方法。L.C.Peng 理 论 来 自 Liang-Chuan Peng 在1978 年发表的文章 STRESS ANALYSIS METHODS FOR UNDERGROUND PIPE LINES,描述了土壤和管道的相互作用,应用于计算埋地管道的应力分析,被认为相对简单1。PRCI 方法为国际管道研究协会(Pipeline 有色金属设计第 51 卷Research Council International)于 2009 年 1 月发布,采用“管道-土壤相互作用分析的土壤弹簧定义”计算土壤阻力和位移计算,作为“在易发生滑坡和沉降危险的地区修建天然气和液态烃管道指南”。ALA(The American Lifelines Alliance)在2001 年发布了 Guideline for the Design of Buried Steel Pipe,该设计导则重点是适用于设计时的基本计算公式,以及必要时的有限元分析指南。ALA 认为土壤对于埋地管道的约束力可简化看作由离散非线性弹簧对管道的作用力2,如图 12和图 22所示。土壤从轴向、横向和竖向对管道产生约束,可分别通过相关公式计算得到,被认为计算更为准确和细致。图 1 土壤对管道三维方向上的真实约束Fig.1 Real constraint of soil on pipeline in three-dimensional direction图 2 土壤对管道的离散弹性作用示意Fig.2 Schematic diagram for discrete elastic effect of soil on pipeline 赤泥在输送时的状态为固液两相流,由氧化铝厂输送到赤泥堆场,距离较长,属于浆液输送管道。对整个管道的应力校核准则可采用 ASME B31.4。根据 ASME B31.4,对埋地的赤泥输送管道需要校核的应力如下3:SH0.8ESy(1)SEXP0.9ESy(2)SEQ0.9ESy(3)SOCC0.88ESy(4)式中:SH 环向应力;SEXP 膨胀应力;SEQ 等效叠加应力,考虑管道热胀变形、土壤约束及介质压力的影响;SOCC 持续性荷载和偶然性荷载之和组成的轴向应力;E 焊缝接头系数;Sy 管道材料的规定最小屈服应力。2 管道布置和参数现某氧化铝工程需要建设1 条赤泥输送管道,布置图见图 3。管道起点为 A00,终点为 C00。节点 A03、C01 点以上为地上架空管道,A03 和 C01之间全程埋地。途中穿越 3 条道路。道路宽度为45 m、30 m 和 30 m。管道总长约为 2 100 m,其中埋地段约 2 060 m。图 3 赤泥输送管道布置示意图Fig.3 Schematic diagram for layout of red mud transportation pipelines84杨辉:赤泥输送埋地管道应力分析及选材优化设计条件如下:管道外径 325,壁厚 8 mm,设计温度 100,设计压力 0.8 MPa,介质密度1 450 kg/m3,安装温度 5,埋深为管中心到地面 1.75 m;当穿道路时,埋深为 3.50 m。该地区的地震加速度 0.15 g,地下水位按照均值地面下1.5 m。道路对管道的作用力按照 40 t 汽车行驶。管道沿途的土壤主要数据根据地勘报告:土壤类型:软质黏土土壤密度:2 100 kg/m3土壤含水率:20%土壤黏结力:24 kPa土壤内摩擦角:153 应力计算及优化分析3.1 应力计算和结果利用 AutoPIPE 建立赤泥管道的模型,输入管道参数、土壤数据和操作条件后,对整个管道进行应力计算得到的主要结果见表 1。表 1 管道应力计算值Tab.1 Calculation value of pipeline stress应力类型应力值/(kg/cm2)SH236.4SEXP2 300.2SEQ,max4 403.9SOCC,max236.7赤泥浆液输送管道的材质可选用普通无缝钢管或 API 5L 管线钢等。该文选取了 A106B 和 API 5L 系列的 GR.B、X42、X46、X52、X56、X69、X65、X70、X80 作为备选管道材料。由于材质的屈服应力 Sy 各不相同,根据式 1-4,会产生该材质相应的许用应力 SAllowable。在图 4-7 中列举了各种管道材料的许用应力和表 1 计算结果。从应力计算结果与各种材质管道许用应力对比:(1)图 4-7 表明,SH和 SOCC,max 应力值较小,各项材质均可满足应力要求;各项材质得到的膨胀应力 SEXP均一致,除 A106B 和 Gr.B 之外,其他材质满足应力要求。(2)SEQ,max 指的是整个管道各点中,SEQ应力最大值,只有当 SEQ,max 小于材料的许用应力时,整个管道的 SEQ才满足要求。由图 6 可见,能够满足应力要求的只有 X70 和 X80 材质。根据校核准则式 1-4,选择 X70 作为管道材质,可使整个管道的各项应力均小于许用应力,即可满足设计要求。3.2 管道布置的优化分析上一节给出了满足应力要求的管道材质为X70,管道材料价格会随着材质等级的升高而增加,X70 材质的管线钢管可满足要求,但是其价格较高,材料价格约为 9 000 元/t,会增加建设投资。可对管道布置进行优化,使得管道采用较低等级的材质,降低造价。图 4 SH计算值和不同材质的许用应力Fig.4 SH calculation value and allowable stress of different materials图 5 SEXP 计算值和不同材质的许用应力Fig.5 SEXP calculation value and allowable stress of different materials94有色金属设计第 51 卷图 6 SEQ计算值和不同材质的许用应力Fig.6 SEQ calculation value and allowable stress of different materials图 7 SOCC计算值和不同材质的许用应力Fig.7 SOCC calculation value and allowable stress of different materials 环向应力 SH由管道的设计压力、设计温度和壁厚决定,由于文中管道的设计压力和设计压力不高,SH的计算值很小。当管道材料为 X70 时,其 SH/SAllowable之比仅为 0.060。膨胀应力 SEXP主要受到设计温度和安装温度影响,由于两者的温度差不大,SEXP的计算值不大,适用的材质也不少。当管道材料为 X70 时,其 SEXP/SAllowable之比为 0.519。偶然性应力 SOCC主要考虑重力,内介质压力,浮力和地震对管道各点的影响,SOCC,max的计算值也很小。当管道材料为 X70 时,其SOCC,max/SAllowable之比为 0.055。等效叠加应力 SEQ为管道热胀应力、土壤约束弹性力及内介质压力对管道各点的影响;道路下的管道还需考虑受到车辆造成的有效应力。当管道材料为 X70 时,其 SEQ,max/SAllowable之比为0.994。本文中 SH、SOCC和 SEXP对于管道材质的选择影响不大,有效地降低 SEQ是选材的关键。SEQ受到管道布置影响,直管段 B06 B19、B22 B35、B38 B51 的 长 度 分 别 为 496 m,633 m,505 m,导致道路下方与非道路下方的管道交界点弯头 B05、B06、B19、B35 的应力过大,见图 8,管道的 SEQ,max 出现在 B05 点。在适当位置增加弹性敷设可有效降低这些点的应力,从而使得整个管道的 SEQ下降。经过试算并结合工程现场的实际情况,在距 B05,B06,B19,B22,B35 点 10 m 处,各加设 1 个 3.5 m5 m 的水平横向弹性敷设,优化后的管道布置见图 9。图 8 B05,B06,B19,B35 的 SEQ计算值Fig.8 SEQ calculation values of B05,B06,B19 and B3505杨辉:赤泥输送埋地管道应力分析及选材优化图 9 优化后的赤泥输送管道布置示意图Fig.9 Schematic diagram for optimized layout of red mud transportation pipelines 对优化后的管道布置进行应力计算,得到的结果见表 2。表 2 优化后的管道应力计算值Tab.2 Calculation value of optimized pipe stress应力类型原应力值/(kg/cm2)优化后应力值/(kg/cm2)X52 许用应力值/(kg/cm2)SH236.4236.42 924.8SEXP2 300.22 420.33 290.4SEQ,max4 403.93 046.53 290.4SOCC,max236.7236.73 217.2从表 2 可见,钢管材质为 X52 时,管道布置优化后的计算应力值均小于其各项许用应力值,满足应力校核准则。SH和 SOCC,max 不变;SEXP略有增加;SEQ,max 为优化前的 69.2%。B05、B06、B19、B35 处的应力值已经降低,SEQ,max出现在 F04 点,见图 10。优化后的管道应力值下降,管道材质可由X70 更换为 X52,X52 价格较低,使管道材料单价下降;但增加弹性敷设会导致管道长度、重量增加,使材料费用增加;因此,必须以整个管道的综合造价为目标进行对比。表 3 给出了管道布置优化前后的管道综合造价对比,优化后的总价降低 7.5%,约 12.74 万元。图 10 优化后的 B05,B06,B19,B35,F04 的 SEQ计算值Fig.10 SEQ calculation values of optimized B05,B06,B19,B35,and F04(下转第 63 页)15李坤,陶宣行,耿家荣,等:400 kA 铝电解槽工艺技术评判方法的研究6 结 语电解槽分类管理是根据工艺把电解槽分为“A、B、C、D、E”5 类,每类对应不同的标准,不同的指标,执行电解槽分类管理主要有以下 3方面好处:(1)评价电解槽健康状况。A 类电解槽为最好,控制目标是 95%以上,A 类槽占比降低,说明系列电解槽趋于劣化;(2)电解槽异常所带来的指标损失是很大的,消除低类槽,提高 A 类槽,能较好地控制亚健康槽所带来的指标损失;(3)用生产运行数据分析生产运行现状,解读数据关联,提取数据信息,制定生产管控策略,预防、预控生产。参考文献:1邱竹贤.铝电解M.北京:冶金工业出版社,1995.2姚世焕.铝电解理论与实践对近代大型预焙槽的作用.苏州润发铝业有限公司论坛C.北京:冶金工业出版社,2005.3梁学民.现代铝电解生产技术与管理M.长沙:中南大学出版社,2011.4 刘业翔.现代铝电解 M.北京:冶金工业出版社,2008.5邱竹贤.有色金属冶金学M.北京:冶金工业出版社,1988.6杨重愚.轻金属冶金学M.北京:冶金工业出版社,2002.7杨升,杨冠群.铝电解生产技术M.北京:冶金工业出版社,2010.(上接第 51 页)表 3 优化前后的管道综合造价对比Tab.3 Comparison of comprehensive costs of pipelines before and after optimization类型管道材质总重t材料单价/(万元/t)建安费用单价/(万元/t)合价万元优化前X70130.620.900.40169.81优化后X52131.990.790.40157.074 结 语(1)赤泥输送埋地管道在选择材质时需考虑应力影响。赤泥输送管道材质的选择应根据浆液特性、环境条件、设计压力等,通过技术经济比较后确定。(2)对埋地的赤泥输送管道适当增加弹性敷设,降低管道应力,优选管线钢材质的钢管。参考文献:1张连来,霍志欣.AutoPIPE 在输油埋地管道中的应用J.管道技术与设备,2013,(4):12-14.2Guidelines for the Design of Buried Steel PipeR.Ameri-can Lifelines Alliance,2001:72.3 Pipeline Transportation Systems for Liquids and Slurries S.The American Society of Mechanical Engineers,2022.4杨重愚.氧化铝生产工艺学M.北京:冶金工业出版社,1993.5周平.5 种应力分析程序计算结果比较J.煤炭与化工,2013,36(1):120-123.6宋治林,孙学军.AutoPIPE 软件在氧化铝工厂管道设计中的应用J.轻金属,2020,(3):56-617宋岢岢.管道应力分析与工程应用M.北京:中国石化出版社,2020.36